Híbridos y Eléctricos

INVESTIGACIÓN DE VARIAS LABORATORIOS AMERICANOS

Un nuevo cátodo LNMO sin cobalto reducirá el precio de las baterías de litio

Investigadores pertenecientes a varios laboratorios americanos han colaborado en el desarrollo de una espinela para el cátodo de las baterías de litio que prescinde del cobalto, reduciendo su coste y manteniendo la conductividad y la vida útil.

Cátodo LNMO, formado por una espinela de alto voltaje de litio, níquel, manganeso y oxígeno.
Cátodo LNMO, formado por una espinela de alto voltaje de litio, níquel, manganeso y oxígeno.

Un equipo de investigadores de diferentes laboratorios americanos han desarrollado una espinela de alto voltaje formada por litio, níquel, manganeso y oxígeno, y por lo tanto libre de cobalto, que puede emplearse como material para el cátodo de las baterías de los vehículos eléctricos. En condiciones de laboratorio, los prototipos probados eliminan los dos obstáculos de esta combinación química: la baja conductividad eléctrica y la excesiva degradación.

Uno de los objetivos principales de las investigaciones dedicadas a la consecución de nuevos materiales para el cátodo de las baterías de los vehículos eléctricos es lograr una alta densidad de energía y un bajo coste de producción. En estas circunstancias, prescindir del cobalto es una de las mejores estrategias para lograr reducir el precio de las baterías de litio. Cabe señalar también que el coste y la sostenibilidad de las baterías de iones de litio no solo están limitados por la producción de cobalto y níquel sino también, potencialmente, por el propio litio.

En la actualidad, el precio del cobalto fluctúa significativamente, mientras que el níquel sigue un discreto pero continuo descenso. Por el contrario, el litio mantiene una tendencia ascendente, en respuesta a su mayor demanda, provocada por la popularización de los vehículos eléctricos y de las instalaciones de almacenamiento de energía estacionarias. En este escenario, se considera imperativo el desarrollo de materiales para el cátodo con menos litio y elementos económicamente más estables como el manganeso (Mn), el hierro (Fe) y el aluminio (Al).

materiales del cátodo mas utilizados

A la izquierda, evolución anual de los precios del Li, Mn, Al, Fe, Ni y Co. A la derecha relaciones de masa de elementos de los cinco materiales de cátodo más comunes.

En este sentido se ha desarrollado la investigación de la Universidad de California en San Diego (UCSD), de la Universidad de Texas en Austin, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE.UU. Sus investigadores han desarrollado un material para el cátodo con una alta área específica formada por una espinela de alto voltaje, gruesa y libre de cobalto: LiNi0,5 Mn1,5 O4 (LNMO). 

Según los investigadores, se trata de uno de los candidatos más prometedores como material catódico de alta densidad de energía, bajo coste y alta seguridad. Resaltan sobre todo la ausencia de cobalto en su composición lo que lo convierte en una opción rentable y adecuada para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala.

Sin embargo, este material se enfrenta a dos obstáculos principales: baja conductividad eléctrica y alta degradación de su capacidad debido al alto voltaje al que se opera. Según explica en el documento de trabajo publicado en el Journal of Power Sources, para evitarlo, se ha desarrollado un electrodo LNMO grueso con una capacidad de carga por unidad de área de 3 mAh/cm2. El electrodo prototipo se ha combinado con un ánodo de grafito comercial en formato prismático y bolsa, logrando una retención total de la capacidad por celda del 72% y el 78%, respectivamente, tras 300 ciclos de carga y descarga. Según el equipo, la cuidadosa optimización de los componentes de la celda y las condiciones de prueba, enfocadas específicamente a la mejora la conductividad y la compatibilidad con el alto voltaje, han permitido obtener estos resultados.

Cinco materiales del catodo mas utilizados

A la izquierda, evolución anual de los precios del Li, Mn, Al, Fe, Ni y Co. A la derecha relaciones de masa de elementos de los cinco materiales de cátodo más comunes.

A partir de su trabajo, existen nuevas posibilidades para la próxima generación de baterías de litio de bajo coste sostenibles y de alta seguridad. El control preciso de la calidad de los materiales, la arquitectura de los electrodos y la optimización de los electrolitos pueden respaldar el desarrollo de un sistema de batería libre de cobalto basado en un cátodo grueso tipo LNMO.
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